电化学阴极充氢对超轻Mg–Li–Zn合金表面膜的调控机制及氢损伤行为研究

为解决Mg–Li合金在氢环境中表面膜失效与氢脆问题，研究人员通过电化学阴极充氢实验，系统研究了Zn含量（0-6 wt%）对Mg–11Li-xZn合金表面膜结构及氢损伤行为的影响。发现低Zn合金形成富含MgH2的双层腐蚀膜（外层Li2CO3/LiOH·H2O，内层Mg(OH)2/MgH2），而高Zn合金因抑制MgH2生成使膜厚降低。LZ111（1 wt% Zn）因致密表面膜和少第二相表现出最优抗氢脆性，为设计耐氢脆镁合金提供理论依据。

　　

镁锂合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天和军事领域具有重要应用前景，但其高化学活性导致的耐蚀性差和氢脆问题长期制约发展。尤其在腐蚀或电解环境中，镁锂合金表面会因氢析出反应形成氢化物，引发体积膨胀、微裂纹和氢气泡，最终导致材料失效。以往研究发现，MgH₂的形成会产生高达30%的体积膨胀应力，而氢在晶界和第二相处聚集会诱发裂纹。尽管表面生成的腐蚀产物膜（如Mg(OH)₂、Li₂CO₃）能暂时阻挡氢渗透，但这些膜本身也易受氢损伤破裂。如何通过成分设计调控表面膜特性以提升抗氢脆能力，成为镁锂合金研究的核心挑战。

针对这一问题，广东工业大学等机构的研究人员选取Mg–11Li-xZn（x=0,1,3,6 wt%）合金模型，通过电化学阴极充氢实验（10 mA/cm²，12小时），结合SEM、XPS、XRD等技术，系统揭示了Zn含量对合金表面膜结构演变及氢损伤行为的影响规律。研究发现发表在《International Journal of Hydrogen Energy》的成果表明，Zn的添加通过改变腐蚀膜组成和厚度，显著影响氢在合金中的渗透与分布。

关键技术包括：1）中频感应熔炼制备四种Zn含量梯度合金；2）电化学阴极充氢模拟极端氢环境；3）采用X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）解析表面膜分层化学组成；4）结合背散射电子成像（BSE）和能谱（EDS）表征氢损伤形貌。

表面形貌分析：未添加Zn的L11合金充氢后出现严重表面鼓包和裂纹，而含1 wt% Zn的LZ111仅出现少量微裂纹。高Zn合金（LZ113/LZ116）则表现为晶界裂纹，这与第二相（MgLi₂Zn等）作为氢陷阱导致晶界氢富集有关。

表面膜特性：所有合金均形成双层腐蚀膜，外层以Li化合物（Li₂CO₃/LiOH·H₂O）为主，内层主要为Mg化合物（Mg(OH)₂/MgH₂）。随着Zn含量增加，膜厚显著降低，尤其当Zn达1 wt%时MgH₂生成被抑制。LZ111因膜致密且缺陷少，表现出最低的氢渗透率。

损伤机制：L11合金的严重鼓包源于大量MgH₂的体积膨胀；LZ111因膜致密和第二相少，氢浓度最低；高Zn合金中过量第二相作为氢陷阱，加之薄膜对氢阻挡能力弱，导致晶界氢聚集引发开裂。

该研究首次阐明Zn元素通过"膜结构调控-氢渗透抑制"双路径提升Mg–Li合金抗氢脆性能的机制。1 wt% Zn的添加使合金获得最优综合性能——致密表面膜减少氢渗透，适量第二相避免氢陷阱效应。这一发现为开发耐氢脆镁锂合金提供了明确的成分设计窗口，对延长合金在氢环境中的服役寿命具有重要工程指导价值。研究还提出表面膜稳定性与第二相分布的协同调控策略，为其他轻合金的抗氢脆设计提供了新思路。